CN109580662A - 微波方式物质金属结构相变高压原位测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微波方式物质金属结构相变高压原位测量装置及测量方法，该装置的上、下金刚石对顶砧表面分别制备有发射天线层和接收天线层；微波源产生的微波信号通过发射天线层内的发射天线向空间传播；被测样品放置于金刚石对顶砧单元的样品腔内；参数测量装置的双路信号线分别与发射天线及接收天线层内的接收天线相连接，运算输出单元通过数据线与参数测量装置相连。运算输出单元对参数测量装置双路探测得到的微波反射功率和透射功率进行运算处理，得到被测样品的金属结构相变程度，并以此确定被测样品的金属结构高压相变点。本发明测量精度高，稳定性好。

Description

微波方式物质金属结构相变高压原位测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于高压装置技术领域，特别涉及一种微波方式的金属结构相变高压原位测量装置及测量方法。

背景技术

在高压作用下，由于原子或分子之间的距离的改变，最终会导致物质结构及其他属性的变化：如绝缘相变为金属相，或者是金属相变为绝缘相；物质的硬度发生改变，进而通过高压合成超硬材料；超导转变温度的提高等等。

金属氢作为潜在的室温超导体，被认为是二十一世纪最重要的十大物理问题之一，但是一直没有在实验中获得，相关的氢化物研究成为热点。2014年，吉林大学超硬材料国家重点实验室崔田课题组首次通过理论计算发现新型氢化物H₃S在111GPa的金属化，H和S之间具有明显的共价-金属键特征，并预测在200GPa高压下超导转变温度高达191-204K。2015年，德国马普所Eremets研究小组首次通过实验验证了上述推测，在155GPa以上，H₃S当温度达到203K(-70℃)时变成超导体，远高于之前所报道的铜基超导体164K的超导转变温度。因此研究高压下物质金属结构相变的产生及测量方法具有重要意义。

金刚石对顶砧是进行高压研究普遍使用的实验装置，由两颗金刚石压砧中间放置垫片进行封压，垫片中间砧面相对的位置形成样品腔放置测量材料，通过压机的作用对金刚石砧面样品实施高压。为了产生超高的压强，样品的尺寸一般要求在微米量级，这对高压原位测量方法提出更高的要求。

目前，应用于对顶砧原位测量的手段中，光谱分析、X射线衍射、中子散射等方法在分析元素组成、原子分子结构等方面有较高精度，但是对于相变点的测定具有模糊属性，无法测量物质的金属结构相变超导临界点。原位电学测量技术通过在金刚石砧面设计不同形式的微电极与样品直接接触，根据电阻率、霍尔系数、载流子浓度等参量变化对被测材料在高压下的导电特性进行测量。因为砧面电极在高压力下极容易发生严重变形甚至断裂，导致上述技术的测量稳定性较差，测量结果的有效精度较低。

微波是一种高频电磁波，微波与介质相互作用后，通过复介电常数表征极化和损耗，介电常数ε_c与介质电导率σ之间满足如下关系：

ε_c＝ε′-jσ/ω (1)

介质的欧姆损耗反应在虚部中，当材料的电导率发生变化后，介电特性的改变会直接导致微波传输参数的变化，微波在传输过程中能穿透绝缘介质，当遇到金属和导体等高电导率介质后，受到传导电子趋肤效应的影响，会产生很强的反射。因此，本发明利用微波的传输特性对物质金属结构相变进行高压原位测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种微波方式物质金属结构相变高压原位测量装置及测量方法，该方法测量稳定性好，测量精度高。

为了解决上述技术问题，本发明的微波方式物质金属结构相变高压原位测量装置包括微波源、传输线单元、参数测量装置、金刚石对顶砧单元、运算输出单元；所述的金刚石对顶砧单元包括上金刚石对顶砧和下金刚石对顶砧，上金刚石对顶砧表面制备有发射天线层，发射天线层的表面制备有发射天线保护层；下金刚石对顶砧表面制备有接收天线层；接收天线层的表面制备有接收天线保护层；微波源与传输线单元相连接，产生的微波信号经传输线单元传输到发射天线层内的发射天线，通过发射天线向空间传播；被测样品放置于金刚石对顶砧单元砧面的样品腔内；参数测量装置的双路信号线分别与发射天线及接收天线层内的接收天线相连接，运算输出单元通过数据线与参数测量装置相连，对微波反射功率Pr和透射功率Pt进行运算处理得到被测样品的金属结构相变程度M(P)。

参数测量装置进行双路探测，接收发射天线传输的微波反射功率Pr和接收天线传输的透射功率Pt；运算输出单元对微波反射功率Pr和透射功率Pt进行运算处理得到被测样品的金属结构相变程度M(P)，并以此确定被测样品的金属结构高压相变点。

进一步地，所述的微波源具有扫频功能，扫频范围在100MHz-20GHz，最低步长不大于1MHz。

进一步地，所述的传输线单元为同轴传输线，端口阻抗为50Ω。

进一步地，所述的发射天线和接收天线采用彼此对称的螺旋天线结构，金刚石对顶砧单元的样品腔位于发射天线和接收天线的焦点位置。

所述的发射天线由发射参考线圈和螺旋发射天线组成；发射参考线圈位于螺旋发射天线上方，采用单匝金属环形结构；螺旋发射天线紧贴上金刚石对顶砧的侧面，其螺旋半径逐渐变小，其微波辐射焦点位于样品腔的中心；

所述的螺旋发射天线的缠绕匝数为2-6圈。

进一步地，参数测量装置采用矢量网络分析仪。

一种采用上述微波方式物质金属结构相变高压原位测量装置测量金属结构相变点的方法，包括下述步骤：

步骤一、将待测样品放入样品腔中；

步骤二、确定发射天线和接收天线的工作谐振频率f₀：

由微波源进行全频域扫描，参数测量装置同时测量微波反射功率Pr、透射功率Pt；通过运算输出单元计算反射衰减S₁₁和透射传输S₂₁，将反射衰减S₁₁最小值及透射传输S₂₁最大值所对应的微波频率作为工作谐振频率f₀；其中反射衰减S11＝10lg(Pr/Pi)，透射传输S21＝10lg(Pt/Pi)，Pi为微波发射功率；

步骤三、高压原位测量；

启动金刚石对顶砧单元的压机，由微波源对发射天线和接收天线的工作谐振频率f₀进行局部扫频输出，参数测量装置同步测量微波反射功率Pr、透射功率Pt；

步骤四、确定待测样品的金属结构高压相变点；

运算输出单元计算不同压力P下的反射衰减S₁₁(P)及透射传输S₂₁(P)，根据下述公式计算待测样品的金属结构相变程度M(P)；

M(P)＝[S₁₁(P)-S₁₁(P0)]-[S₂₁(P)-S₂₁(P0)]

其中，S₁₁(P0)与S₂₁(P0)分别代表未加压时反射衰减及透射传输；C_M为已知金属的高压相变点；预先通过测量得到多个已知金属样品的高压相变点；反射衰减S₁₁和透射传输S₂₁分贝值产生突变时的金属结构相变程度M(P)即为待测样品的金属结构高压相点。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明采用微波技术对物质金属结构相变进行高压原位测量，由于微波空间传输的属性，发射天线和接收天线不与被测样品直接接触，在极高压力下仍能够保持稳定结构，测量精度高，并能够进行多次重复测量。

附图说明

下面通过附图和具体实施方式对本发明作进一步地说明。

图1是本发明的微波方式物质金属结构相变高压原位测量装置结构框图；

图2是微波发射与接收螺旋天线结构图；

图3是发射天线与接收天线的谐振频率仿真分析图；

图4是发射天线与接收天线的场强分布仿真分析图；

图5是发射天线与接收天线在金刚石表面的制作工艺示意图；

图中：1、微波源；2、传输线单元；3、发射天线；4、接收天线；5、参数测量装置；6、金刚石对顶砧单元；7、运算输出单元；a、发射参考线圈；b、螺旋发射天线；c、发射引线；d、样品腔；e、封压垫片；f、接收螺旋天线；g、接收参考线圈；h、接收引线；i、上金刚石对顶砧；j、发射天线层；k、发射天线保护层；l、下金刚石对顶砧；m、接收天线层；n、接收天线保护层。

具体实施方式

如图1所示，本发明的微波方式物质金属结构相变高压原位测量装置包括微波源1、传输线单元2、发射天线3、接收天线4、参数测量装置5、金刚石对顶砧单元6、运算输出单元7。

微波源1与传输线单元2相连接，产生的微波信号经传输线单元2传输给发射天线3，通过发射天线3向空间传播；金刚石对顶砧单元6的样品腔位于发射天线3与接收天线4之间，被测样品放置于的金刚石对顶砧单元6的样品腔d内；参数测量装置5的双路信号线分别与发射天线3的发射引线c及接收天线4的接收引线h相连接进行双路探测，接收经发射引线c输出的微波反射功率Pr和经接收引线h输出的透射功率Pt；运算输出单元7通过数据线与参数测量装置5相连，采集参数测量装置5传输的微波反射功率Pr和透射功率Pt，根据微波反射功率Pr和透射功率Pt计算不同压力P下的反射衰减S₁₁(P)及透射传输S₂₁(P)的分贝值，根据微波反射及透射衰减的分贝值与压力之间的变化关系计算被测材料金属结构相变程度M(P)，以此确定被测材料的金属结构高压相变点。

所述的参数测量装置5的一种具体选型为Agilent E5071C四端口网络分析仪，全端口测试时间典型值为39ms，满足高压下实时快速测量要求，输出最大动态范围达123dB，满足高精度测量要求；为了增加系统稳定性，微波源1选用网络分析仪内部集成微波源，频率输出范围达到300KHz-20GHz，满足装置宽频带扫频测量要求；传输线单元2为同轴传输线，端口阻抗为50Ω；运算输出单元7选用安装有Agilent网络分析仪数据采集软件的PC机设备，通过USB串口数据线与网络分析仪相连接进行数据传输，计算不同压力P下的反射衰减S₁₁(P)及透射传输S₂₁(P)的分贝值，并根据如下公式计算被测材料金属结构相变程度M(P)：，

M(P)＝[S₁₁(P)-S₁₁(P0)]-[S₂₁(P)-S₂₁(P0)]

其中，S₁₁(P0)与S₂₁(P0)分别代表未加压时系统的反射衰减及透射传输的分贝值；C_M为已知金属样品的高压相变点；本发明中预先测量多个不同类已知金属样品的微波反射功率Pr和透射功率Pt，进行反推计算出各类已知金属样品的高压相变点C_M。

如图2所示，所述的发射天线3与接收天线4采用彼此对称的螺旋天线结构设计，螺旋天线整体喷溅或缠绕于金刚石对顶砧的侧壁上，其中：

在信号发射端，发射天线3由发射参考线圈a和螺旋发射天线b组成；发射参考线圈a位于螺旋发射天线b上方，采用单匝金属环形结构为发射天线提供参考电平；螺旋发射天线b紧贴上金刚石对顶砧i的侧面，其螺旋半径逐渐变小，其微波辐射焦点位于样品腔d的中心。螺旋发射天线b匝数越高辐射方向性越好，但传输能量降低，典型缠绕匝数为2-6圈，本发明中设计为4圈。

发射引线c分别连接发射参考线圈a与螺旋发射天线b，作为信号激励端口，微波反射功率Pr由此端口进行测量。

信号接收端结构与信号接收端结构对称；接收螺旋天线f、接收参考线圈g、接收引线h的参数与信号发射端一致，透射功率Pt由接收引线h端口引出进行测量。

e为封压垫片，根据具体应用选用钢、钨、铼等金属材质设计，为高压下待测样品提供封压的同时，可以有效对空间散射微波进行阻隔。

在测量过程中，微波由螺旋发射天线b向样品腔d方向进行空间辐射，由于封压垫片e对微波的阻隔作用，微波能量主要作用于样品腔d的区域。

图3是采用ANSYS HFSS软件对本发明螺旋天线谐振频率的仿真分析结果，由图可知通过扫频分析得到天线工作谐振频率为10.5GHz，在水平方向样品腔d中心位置达到场强的最大值，符合系统设计要求；当待测样品未发生金属结构相变时，微波能量容易穿透样品腔d，计算得到的透射传输S₂₁分贝值较大，反射衰减S₁₁较小；当待测样品发生金属结构相变时发生突变，反射衰减S₁₁增大，透射传输S₂₁减小；根据反射衰减S₁₁(P)及透射传输S₂₁(P)能够计算得到金属结构相变程度M(P)。

天线层及保护层在金刚石表面的制作方法。

图4为天线层在金刚石表面的制作工艺示意图，其中：i为上金刚石对顶砧；j为发射天线层，其制作步骤如下，首先通过磁控喷溅的方式将金属天线材料沉积于金刚石表面，随后采用光刻技术将发射参考线圈及螺旋发射天线形状刻在金刚石侧面，最后通过化学腐蚀的方法在金刚石上得到最终天线结构；典型的天线材质为金属钼，沉积厚度小于0.5μm，发射引线c由发射天线层j的边缘引出；k为发射天线保护层，对金刚石表面的微波天线进行保护，提高系统的测量稳定性，可以采用磁控喷溅的方式沉积得到，典型的材质为氧化铝陶瓷，由于氧化铝陶瓷具有很高的硬度，同时高频复介电常数很低，对微波的传播影响很小，是较理想的天线保护材料，天线保护层的沉积厚度小于5μm；(具体的金刚石表面沉积、光刻及腐蚀工艺方法可参考现有技术：用于金刚石对顶砧上原位电学测量的电极及其制作方法CN101509947[P].2009.)；l为下金刚石对顶砧，采用与发射天线相同的工艺，将接收天线层m与接收天线保护层n制作于其上，接收引线h由接收天线层m的边缘引出。

采用上述微波方式物质金属结构相变高压原位测量装置测量金属结构相变点的方法，包括下述步骤：

步骤一、将待测样品放入样品腔d中；

步骤二、确定发射天线3和接收天线4的工作谐振频率f₀：

由微波源1进行全频域扫描，参数测量装置5同时测量发射天线3的微波反射功率Pr和接收天线4的透射功率Pt，运算输出单元7计算反射衰减S₁₁和透射传输S₂₁的分贝值，将反射衰减S₁₁最小值及透射传输S₂₁最大值所对应的微波频率为系统的谐振点，该谐振点是测量发射天线3和接收天线4的最佳灵敏度频率位置，即工作谐振频率f₀；

反射衰减S₁₁和透射传输S₂₁的计算公式如下：

S11＝10lg(Pr/Pi)

S21＝10lg(Pt/Pi)

其中Pi为微波发射功率；

步骤三、高压原位测量；

启动金刚石对顶砧单元6的压机，由微波源1对射天线3和接收天线4工作的工作谐振频率f₀进行局部扫频输出，参数测量装置5同步测量反射功率Pr和透射功率Pt；

步骤四、确定待测样品的金属结构高压相变点；

运算输出单元7采集不同压力P下的反射功率Pr及透射功率Pt的分贝值，计算反射衰减S₁₁(P)及透射传输S₂₁(P)的分贝值，并根据如下公式计算待测样品金属结构相变程度M(P)：

M(P)＝[S₁₁(P)-S₁₁(P0)]-[S₂₁(P)-S₂₁(P0)] (2)

其中，S₁₁(P0)与S₂₁(P0)分别代表未加压时系统的反射衰减及透射传输的分贝值；C_M为已知金属材料的高压相变点；其取值可以通过对已知金属样品的微波反射及传输参数进行测量预先计算得出。

当待测样品未发生金属结构相变时，微波能量容易穿透样品腔d，计算得到的透射传输S₂₁分贝值较大，反射衰减S₁₁较小；当待测样品发生金属结构相变时，反射衰减S₁₁和透射传输S₂₁的分贝值产生突变，反射衰减S₁₁增大，透射传输S₂₁减小；待测样品发生金属结构相变时的金属结构相变程度M(P)即为该待测样品的高压相变点Cn。

若Cn与某类已知金属样品的高压相变点C_M近似相等，则可以推定待测样品的电导率与该类已知金属样品的电导率近似相等。

Claims (7)

1.一种微波方式物质金属结构相变高压原位测量装置，其特征在于包括微波源(1)、传输线单元(2)、参数测量装置(5)、金刚石对顶砧单元(6)、运算输出单元(7)；所述的金刚石对顶砧单元(6)包括上金刚石对顶砧(i)和下金刚石对顶砧(l)，上金刚石对顶砧(i)表面制备有发射天线层(j)，发射天线层(j)的表面制备有发射天线保护层(k)；下金刚石对顶砧(l)表面制备有接收天线层(m)；接收天线层(m)的表面制备有接收天线保护层(n)；微波源(1)与传输线单元(2)相连接，产生的微波信号经传输线单元(2)传输到发射天线层(j)内的发射天线(3)，通过发射天线(3)向空间传播；被测样品放置于金刚石对顶砧单元(6)砧面的样品腔内；参数测量装置(5)的双路信号线分别与发射天线(3)及接收天线层(m)内的接收天线(4)相连接，运算输出单元(7)通过数据线与参数测量装置(5)相连，对微波反射功率Pr和透射功率Pt进行运算处理得到被测样品的金属结构相变程度M(P)。

2.根据权利要求1所述的微波方式物质金属结构相变高压原位测量装置，其特征在于所述的微波源(1)具有扫频功能，扫频范围在100MHz-20GHz，最低步长不大于1MHz。

3.根据权利要求1所述的微波方式物质金属结构相变高压原位测量装置，其特征在于所述的传输线单元(2)为同轴传输线，端口阻抗为50Ω。

4.根据权利要求1所述的微波方式物质金属结构相变高压原位测量装置，其特征在于所述的发射天线(3)和接收天线(4)采用彼此对称的螺旋天线结构，金刚石对顶砧单元(6)的样品腔位于发射天线(3)和接收天线(4)的焦点位置。

5.根据权利要求4所述的微波方式物质金属结构相变高压原位测量装置，其特征在于所述的发射天线(3)由发射参考线圈(a)和螺旋发射天线(b)组成；发射参考线圈(a)位于螺旋发射天线(b)上方，采用单匝金属环形结构；螺旋发射天线(b)紧贴上金刚石对顶砧(i)的侧面，其螺旋半径逐渐变小，其微波辐射焦点位于样品腔(d)的中心。

6.根据权利要求5所述的微波方式物质金属结构相变高压原位测量装置，其特征在于所述的螺旋发射天线(b的缠绕匝数为2-6圈。

7.一种采用如权利要求1所述的微波方式物质金属结构相变高压原位测量装置测量金属结构相变点的方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一、将待测样品放入样品腔中；

步骤二、确定发射天线(3)和接收天线(4)的工作谐振频率f₀：

由微波源(1)进行全频域扫描，参数测量装置(5)同时测量微波反射功率Pr、透射功率Pt；通过运算输出单元(7)计算反射衰减S₁₁和透射传输S₂₁，将反射衰减S₁₁最小值及透射传输S₂₁最大值所对应的微波频率作为工作谐振频率f₀；其中反射衰减S11＝10lg(Pr/Pi)，透射传输S21＝10lg(Pt/Pi)，Pi为微波发射功率；

步骤三、高压原位测量；

启动金刚石对顶砧单元(6)的压机，由微波源(1)对发射天线(3)和接收天线(4)的工作谐振频率f₀进行局部扫频输出，参数测量装置(5)同步测量微波反射功率Pr、透射功率Pt；

步骤四、确定待测样品的金属结构高压相变点；

运算输出单元(7)计算不同压力P下的反射衰减S₁₁(P)及透射传输S₂₁(P)，根据下述公式计算待测样品的金属结构相变程度M(P)；

M(P)＝[S₁₁(P)-S₁₁(P0)]-[S₂₁(P)-S₂₁(P0)]

其中，S₁₁(P0)与S₂₁(P0)分别代表未加压时反射衰减及透射传输；C_M为已知金属的高压相变点；预先通过测量得到多个已知金属样品的高压相变点；反射衰减S₁₁和透射传输S₂₁分贝值产生突变时的金属结构相变程度M(P)即为待测样品的金属结构高压相点。